面向PDC鉆頭的三軸數(shù)控機(jī)床改進(jìn)模塊研究*

馬少華　鹿德臺(tái)　馬建民　 劉振東

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工業(yè)訓(xùn)練中心，山東 青島 266580)

?

面向PDC鉆頭的三軸數(shù)控機(jī)床改進(jìn)模塊研究*

馬少華鹿德臺(tái)馬建民 劉振東

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工業(yè)訓(xùn)練中心，山東 青島 266580)

對(duì)常用三軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)以適用于PDC鉆頭加工。首先分析PDC鉆頭的加工特征，明確加工工藝。然后根據(jù)PDC鉆頭的實(shí)際加工情況和三軸數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)機(jī)床改進(jìn)模塊和控制軟件。最后與三軸機(jī)床結(jié)合，試加工PDC鉆頭。解決了普通三軸數(shù)控機(jī)床無法加工PDC鉆頭和五軸數(shù)控機(jī)床加工PDC鉆頭的高成本等問題。

PDC鉆頭；五軸數(shù)控機(jī)床；三軸數(shù)控機(jī)床；改進(jìn)模塊

1　研究意義

在油田開發(fā)中，鉆井占據(jù)重要地位，據(jù)估計(jì)，在某些油田的投資開發(fā)中，鉆井投資占35%～40%[1]。聚晶金剛石復(fù)合片PDC鉆頭是鉆井作業(yè)中的重要工具，目前其進(jìn)尺量已占鉆井總進(jìn)尺量的60%左右[2]。PDC鉆頭結(jié)構(gòu)無運(yùn)動(dòng)部件，整個(gè)鉆頭是一個(gè)整體，適用于軟到中等硬度均質(zhì)地層中破巖。與應(yīng)用廣泛的牙輪鉆相比，PDC鉆頭工作穩(wěn)定、鉆速提高2倍以上、進(jìn)尺速度提高4～6倍[3]。高效率、低成本地生產(chǎn)PDC鉆頭已成為當(dāng)前石油工業(yè)中的迫切需求。

隨著能源等行業(yè)的發(fā)展，PDC鉆頭的功能更加高端、設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，齒窩、水孔等帶有空間復(fù)雜位置度要求的特征已經(jīng)超出了三軸加工中心的加工范圍[4]。目前PDC鉆頭的生產(chǎn)多采用五軸加工中心。但是，這僅使用了五軸加工中心的空間斜孔等小部分多軸加工能力，浪費(fèi)了五軸加工中心的大部分功能，高成本的五軸加工中心造成了PDC鉆頭的高成本。對(duì)低成本的三軸數(shù)控機(jī)床改進(jìn)以適用于PDC鉆頭低成本加工，有利于推廣PDC鉆頭在鉆井領(lǐng)域的應(yīng)用，降低油田開發(fā)成本。

2　PDC鉆頭的加工特征

如圖1所示，本文將PDC鉆頭分解成鉆頭體、刀翼、切削齒、冠部、水眼等加工特征，通過分析特征參數(shù)，明確加工要求，指導(dǎo)三軸數(shù)控機(jī)床改進(jìn)模塊設(shè)計(jì)。

2.1建立PDC鉆頭坐標(biāo)系

為了準(zhǔn)確描述PDC鉆頭各個(gè)特征，建立由鉆頭圓柱坐標(biāo)系o-ρφh、切削齒工作面坐標(biāo)系和切削齒基準(zhǔn)面坐標(biāo)系組成的PDC鉆頭坐標(biāo)系，如圖2所示。各特征的參數(shù)首先轉(zhuǎn)換成圓柱坐標(biāo)系下的絕對(duì)坐標(biāo)，然后轉(zhuǎn)換成笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，形成加工數(shù)據(jù)。

2.2建立特征化模塊

鉆頭體是PDC鉆頭的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特征，數(shù)學(xué)模型是一條二維曲線旋轉(zhuǎn)而成的柱體，特征參數(shù)有鉆頭體半徑、鉆頭體高度、鉆頭體內(nèi)錐半角、鉆頭體圓角。

刀翼外形由樣條曲線來表示，關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)控制刀翼形狀，特征參數(shù)有刀翼外厚度、刀翼內(nèi)厚度、刀翼高度、鉆頭半徑、樣條曲線點(diǎn)坐標(biāo)。

鉆頭冠部的數(shù)學(xué)模型是一條曲線經(jīng)過拉伸形成，常用的冠部曲線有A型：直線-圓弧-直線；B型：直線-圓??；C型：直線-雙圓?。籇型：直線-圓弧-拋物線，如圖3所示。

切削齒的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)柱體(切削齒)和一個(gè)半球體(支撐切削齒)的組合體，其中，柱體和半球體的直徑相等，特征參數(shù)有齒直徑、齒徑向坐標(biāo)、齒高、后傾角、側(cè)轉(zhuǎn)角、刀翼號(hào)。

水眼數(shù)學(xué)模型是圓柱，需要在PDC鉆頭裝配體的基礎(chǔ)上添加通孔。因此，水眼的特征參數(shù)為水眼直徑、水眼軸線與鉆頭軸線的夾角。

2.3加工工藝

根據(jù)PDC鉆頭尺寸選擇恰當(dāng)?shù)膱A柱式毛坯并進(jìn)行初步的車削加工，獲得鉆頭輪廓體、下半部分的準(zhǔn)確形狀和后續(xù)加工所需的定位孔、裝夾槽，提高加工效率。水平裝夾毛坯，進(jìn)行兩刀翼間復(fù)雜曲面加工，并根據(jù)刀翼特征參數(shù)依次旋轉(zhuǎn)一定角度完成所有刀翼間加工。同時(shí)銑削一個(gè)與h軸垂直的基準(zhǔn)面，確保每次裝夾的基準(zhǔn)一致。鉆頭立式裝夾，銑削頂部輪廓；鉆頭水平裝夾，加工齒窩；鉆頭立式裝夾，加工水眼。工藝流程如圖4所示。

3　三軸數(shù)控機(jī)床改進(jìn)模塊

針對(duì)PDC鉆頭的加工，本文對(duì)立式三軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一個(gè)可拆卸的機(jī)床改進(jìn)模塊，即PDC工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)以下功能：

①水平裝夾PDC鉆頭并可繞X軸旋轉(zhuǎn)，加工刀翼曲面和齒窩。

②豎直裝夾PDC鉆頭并可繞Z軸旋轉(zhuǎn)、繞Y軸擺動(dòng)，加工鉆頭頂部和水眼。實(shí)施方案如圖5所示。

3.1工作臺(tái)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)毛坯的初步車削加工和對(duì)PDC鉆頭的刀翼之間曲面加工、齒窩加工，設(shè)計(jì)水平夾具，實(shí)現(xiàn)立式數(shù)控機(jī)床的刀具對(duì)PDC鉆頭的加工。由于刀翼和齒窩沿鉆頭體周向分布以及三軸數(shù)控機(jī)床的刀具不具備角度旋轉(zhuǎn)功能，將水平夾具設(shè)計(jì)成具有繞水平X軸旋轉(zhuǎn)的功能，定義為A軸。伺服電動(dòng)機(jī)3通過V型帶驅(qū)動(dòng)夾具內(nèi)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)A軸旋轉(zhuǎn)工作。

為了加工PDC鉆頭的頂部和水眼，設(shè)計(jì)立式夾具，便于立式數(shù)控機(jī)床的刀具對(duì)鉆頭加工。另外，水眼沿鉆頭體周向分布，因此將夾具設(shè)計(jì)成具有繞豎直Z軸旋轉(zhuǎn)的功能，定義為C軸。伺服電動(dòng)機(jī)2通過V型帶驅(qū)動(dòng)夾具內(nèi)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)C軸旋轉(zhuǎn)功能。由于水眼軸線與豎直軸有一定傾斜角度，因此需要將PDC鉆頭繞水平Y(jié)軸旋轉(zhuǎn)一定角度，使水眼軸線豎直，便于三軸機(jī)床刀具的Z向進(jìn)給加工，定義為B軸。此功能有伺服電動(dòng)機(jī)1通過減速裝置驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

刀具加工PDC鉆頭時(shí)，對(duì)鉆頭周向和軸線方向產(chǎn)生一定的作用力，因此工作臺(tái)的夾具應(yīng)具有自鎖功能。蝸輪蝸桿的自鎖性可實(shí)現(xiàn)夾具位置的鎖定。

3.2數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)PDC工作臺(tái)各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的加工動(dòng)作，設(shè)計(jì)專門的數(shù)控系統(tǒng)，包括用戶界面層、核心運(yùn)動(dòng)控制層以及二者間的交互層，具體軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

用戶界面層：采用C#語言設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)加工中心與操作者之間的信息交互。根據(jù)2.2節(jié)分析，輸入鉆頭參數(shù)，迅速構(gòu)建PDC鉆頭特征，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)嵌PDC鉆頭加工工藝自動(dòng)生成NC加工代碼，以控制本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的加工模塊。同時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫TaskData和ManuCmd，對(duì)NC代碼進(jìn)行處理，編譯為加工數(shù)據(jù)，下傳至交互層。同時(shí)，從交互層獲取加工模塊狀態(tài)信息并顯示，便于操作者查看。

核心運(yùn)動(dòng)控制層：由于PDC鉆頭加工過程需要實(shí)時(shí)控制，本層采用響應(yīng)較快的C++語言編寫。數(shù)控系統(tǒng)首先調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫motion對(duì)交互層下傳的加工數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理；根據(jù)加工數(shù)據(jù)類型不同，motion分別調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫auto、manu、PLC進(jìn)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算和運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)，指令傳至任務(wù)調(diào)度模塊；最后，任務(wù)調(diào)度模塊通過通訊模塊EtherMAC將指令傳送至控制器執(zhí)行，同時(shí)獲取控制器狀態(tài)信息，并反饋至交互層。

交互層：通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫IO、Task、Status對(duì)加工信息和加工模塊狀態(tài)信息進(jìn)行邏輯處理，實(shí)現(xiàn)用戶界面層和核心運(yùn)動(dòng)控制層之間的信息交互。

4　結(jié)語

在中國(guó)石油大學(xué)(華東)校級(jí)重點(diǎn)教學(xué)項(xiàng)目“加工中心實(shí)踐教學(xué)研究”支持下，以國(guó)家級(jí)石油工業(yè)訓(xùn)練教學(xué)示范中心和國(guó)家級(jí)石油勘探與開發(fā)虛擬仿真教學(xué)單位為平臺(tái)，本文對(duì)PDC鉆頭的加工情況進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)了一款升級(jí)模塊并在中心的FANUC三軸加工中心MV-60上進(jìn)行測(cè)試，可以完成PDC鉆頭加工。加工現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。經(jīng)過近2年測(cè)試，效果表明：

(1)與原“三軸+五軸”生產(chǎn)方式相比，降低了一線工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，生產(chǎn)時(shí)間縮短了1/3左右。

(2)可以生產(chǎn)多種改進(jìn)型PDC鉆頭，并成功應(yīng)用于勝利油田、大慶油田等。

本項(xiàng)目初步解決了PDC鉆頭的空間復(fù)雜曲面難加工和五軸數(shù)控機(jī)床加工成本高的問題，降低PDC鉆頭的生產(chǎn)成本，便于PDC鉆頭生產(chǎn)的推廣使用。

[1]陳康民.PDC鉆頭頭部流場(chǎng)可視化裝置[P]，：中國(guó)，02283641.1.2003-12-17.

[2] 杜濱.PDC鉆頭數(shù)控加工工藝開發(fā)應(yīng)用[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.

[3] 劉程.PDC鉆頭三維設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].北京：中國(guó)石油大學(xué)，2008.

[4] 岑華.PDC鉆頭數(shù)控加工工藝開發(fā)應(yīng)用探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015(1)：84.

(編輯孫德茂)

如果您想發(fā)表對(duì)本文的看法，請(qǐng)將文章編號(hào)填入讀者意見調(diào)查表中的相應(yīng)位置。

The research of three axis NC machine tool improvement module for PDC bit

MA Shaohua, LU Detai, MA Jianmin, LIU Zhendong

(Petroleum Industry Training Center,China University of Petroleum, Qingdao 266580,CHN)

A three axis NC machine tool improvement module is designed in this paper. Firstly, the processing characteristics of PDC bit are analyzed to determine the processing technology. Secondly, according to the actual working condition of the PDC bit and the characteristics of the three axis NC machine tool, machine tool improvement module and control software are designed. Finally, the PDC bit is processed using the improved module. This solved the problems of difficulties for ordinary three axis NC machine tools in processing PDC bit and high cost of machining PDC bits using five axis NC machine tools.

PDC bit; five axis NC machine tool; three axis NC machine tool; improvement module

TE921

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.028

馬少華，男，1985年生，碩士研究生，助教，主要研究方向?yàn)槭蜋C(jī)械、數(shù)控技術(shù)。

2016-02-18)

160644

* 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 教學(xué)研究與改革項(xiàng)目(SY-A201202)